- 精選文章
文章專區
2019-11-29讓輪胎持續轉動— 循環科技
600 期
Author 作者
謝育哲／本刊編輯。
循環科技的宗旨，是為了永續發展及重複利用有限資源，進而達到降低汙染、節省資源與環保等目標。但有些特殊的資源及材料卻難以重複利用，如輪胎。過去認為廢棄輪胎幾乎無法處理，淘汰後只能棄置於一旁，本身的材料結構也因難以分解，造成環境負擔。
難道輪胎最終的命運只能淪落到廢棄場的角落嗎？其實不然，隨著人們環保意識的抬頭及科技的進展，科學家藉由各種新方法處理並重新利用。
輪胎橡膠的種類及製作方式
輪胎為橡膠製品，而橡膠在製作為橡膠製品前稱為生橡膠， 有兩種主要的來源，其一為從橡膠樹取得的天然橡膠；另 外則是藉由石油提煉而出，此稱為合成橡膠。 橡膠的製作過程需經過以下的步驟：混煉、滾壓、硫化儀 測定及硫化成形。生橡膠最初通常為塊狀型態，首先必須 先使用混煉機，將生橡膠打成鬆散的狀態，之後加入充填劑，如加工油、補強劑與耐老化劑等藥劑。後續再經由滾 壓階段，滾壓的目的是將生橡膠內部多餘的空氣排出，空 氣排出後橡膠即可進行成形，再將生橡膠放入熱壓成形機 中的輪胎的模具，此時各家輪胎大廠會再將各種自行調配 的特殊配方放入模具之中〔註一〕，最後利用熱壓的方式， 給予一定的溫度及時間，使模具內的橡膠產生化學反應。 完成後將摸具開模，生產出輪胎製品。
伸縮自如的橡膠有何特性？
橡膠在未經過化學處理時，容易變軟變形，而隨著環境溫度 的升高，橡膠會變硬，可塑性降低。為了解決橡膠在遇熱 前後的不同特性，美國科學家固特異（Charles Goodyear） 在經過長時間的實驗後發現，當硫磺與橡膠接觸並加熱後， 會產生硫化反應。經過硫化反應的橡膠，本身對於溫度變 化的反應較不敏感，換言之，橡膠即使面對不同的溫度環 境，依然能夠保持一定的伸縮特性，不會再忽軟忽硬，當 對橡膠施力時會產生變形，但力量收回後橡膠則會恢復原狀，具有回彈性。硫化橡膠最初的運用為雨鞋等產品，後 來才逐漸導入輪胎的應用。
固特異的發現讓他被後世尊稱為「現代橡膠之父」。除此 之外，固特異輪胎與橡膠公司（The Goodyear Tire & Rubber Company）的創辦人為了紀念這位現代橡膠之父， 以固特異之名為公司命名。
魚與熊掌無法兼得的硫化反應
橡膠是由許多化學元素排列而成，而橡膠分子鏈長短不一且柔軟，同時具有一定的強度。在還沒經過硫化處理時， 橡膠可任意塑形，是熱塑性聚合物。而經過硫化反應後， 橡膠分子鏈之間會有許多的硫元素將分子鏈串起，橡膠分子鏈因硫磺而形成網狀結構，變成熱固性聚合物，使橡膠產生回彈力，並且對於溫度的反應較為不敏感（圖一）。 雖然硫化反應對橡膠具有諸多好處，但也因此造成輪胎難以回收。為了讓橡膠製品在使用完畢後變成廢棄物，科學家試圖將橡膠製品中硫化反應的架橋切斷，讓網狀結構再次回復成線性結構。
圖一：橡膠分子結構硫化前後的差異。
雖然硫化反應對橡膠具有諸多好處，但也因此造成輪胎難以回收。為了讓橡膠製品在使用完畢後變成廢棄物，科學家試圖將橡膠製品中硫化反應的架橋切斷，讓網狀結構再次回復成線性結構。
廢輪胎該如何處理方式？
目前全球每年會產生3000萬公噸的廢輪胎，常利用堆置方式處理。舉例而言，美國曾在沙漠中堆置輪胎成為輪胎墳場，另外也曾利用廢輪胎於外海作為人工魚礁，但最後都以失敗告終。而在臺灣，因輪胎為環保署所規定的法定廢棄物，廢輪胎處理後會作為輔助燃料使用，可取代部分煤礦資源消耗。
現階段的廢輪胎回收技術，首先是先把輪胎內部的胎唇鋼絲取出，將輪胎進行裁切剪斷，再將裁斷的輪胎放入破碎機進行破碎及粉碎過程，經過破碎後會形成30毫米（mm） 以下粒徑的橡膠片，作為替代燃料使用。
但由於現代人的環保意識抬頭，燃燒燃料所產生的空氣汙染大眾並不樂見，各界也希望未來的空氣汙染能降低。在此前提下，廢棄輪胎除了作為替代燃料外，工研院的科學 家也試圖將其轉變為再生橡膠，重複利用成為新橡膠製品， 減少天然資源與石化原物料的使用。
圖二：硫化橡膠轉製成再生橡膠技術原理，將橡膠的架橋打斷後可回復為熱塑性；而各種的鍵結能量不同，碳碳鍵最大，碳硫鍵次之，而硫硫鍵最小。
工研院的廢棄輪胎處理方式
若要將熱固性的硫化橡膠回復成熱塑性的再生橡膠，最關鍵的部分是打斷化學結構中「架橋」，雖然困難但並非不可能，由於化學上的硫硫鍵、碳硫鍵與碳碳鍵結的能量不同 （圖二），因此工研院透過特製的裂解機，以旋轉和加溫等物理方式精準調控熱能，將橡膠網路分子中的碳硫鍵直接打斷，後續更研發化學性的裂解劑，約八成的硫化橡膠材料可回復成分子長鏈。
而新的橡膠與再生膠以一定的比例製成鞋子、輸送帶等橡膠製品。再生橡膠目前以橡膠工業製品為主，另外需高速使用如輪胎等的橡膠製品，則因有安全的考量較不適合添加再生橡膠使用。
再生橡膠的挑戰
再生橡膠的應用除了工業端的實際應用之外，法律規範也是棘手的問題。目前再生橡膠仍以做為燃料為主，日後如能從以法令下手，讓各企業能夠自主回收這些廢料再利用， 後續將能更進一步實現環保相關的議題。 除了回收廢棄輪胎以外，目前世界各大廠也陸續宣示，未來將有70％的輪胎使用可再生材料，而材料中又有一定比例來自於再生橡膠。許多輪胎大廠都已著手進行工廠中邊角料的再生化，使再生橡膠的品質穩定，能夠回到輪胎製程中，讓輪胎永遠轉動不再是夢想。
〔註一〕橡膠在輪胎中的功能為提供摩擦力與提供滾動阻力，此兩種特性 源於輪胎的配方設計，不同輪胎公司所設計的產品會有各自的配方。